ایجاد لایه نازک مواد ارگانیک با روش تبخیر حرارتی جهت استفاده در کاربردهای الکترو اپتیکی

ساختار مولکولی پلی اتیلن و پلی استیلینقطعات الکترونیکی ساخته شده بر مبنای لایه نازک هایی از جنس نیمه هادی های ارگانیک به دلیل قابلیت انعطاف پذیری و امکان ساخت در مقیاس زیاد با هزینه کم، کاربردهای فراوانی دارند. این نیمه هادی ها امکان ساخت افزاره های الکترونیکی مثل OFET (Organic-Field Effect Transistor) ، OLED (Organic- Light Emitting Diod) و OPV (Organic photovoltaic Cell) را به عنوان نسل جدید الکترونیک فراهم می آورند.ویژگی الکترونیکی مولکول های ارگانیک بستگی به اتصالات بین اتم ها دارد. موقعیت و ویژگی های این پیوندهای بین اتمی مشخص کننده نحوه جذب نور و انتقال بار الکتریکی توسط مولکول ها است. از جمله مهمترین این پیوندها، پیوندهای دوگانه و نحوه پیوستن آن ها در داخل مولکول ها یعنی جایی که الکترون های اشتراکی قادر به حرکت در بخشی از مولکول هستند، می باشد.در مولکول های غیر هادی مثل پلی اتیلن (که در شکل 1 داده شده است) هر اتم کربن به 4 اتم دیگر متصل است و تمام الکترون هایش در پیوند ها می باشند و نوار هدایت در این ساختار خالی از الکترون است زیرا هیچ الکترونی وجود ندارد که بتواند حرکت کند. در طرف مقابل پیوندهای اشباع نشده ای هستند که در مواد رسانا وجود دارند. مثلا همانطور که در شکل 1 ساختار پلی استیلن نشان داده شده است در هر اتم کربن یک الکترون اضافه وجود دارد که در ایجاد هدایت الکتریکی مولکول نقش دارد. در مولکول های بزرگ مثل پلیمرها این الکترون ها در طول مولکول گسترش می یابند و اتصالات π را تشکیل می دهند. ویژگی رسانا یا نیمه رسانا بودن مولکول به این بستگی دارد که این پیوند ها پر یا نیمه پر باشند.پیوندها در نیمه هادی های ارگانیک اساسا با پیوند در همتایان غیر ارگانیک آن ها متفاوت است که تاثیر مستقیم روی ویژگی های آن ها دارد. کاهش سختی، نقطه ذوب پایین و کاهش انتقالات بار الکتریکی از ویژگی های این مواد می باشند. ضریب جذب بالای این مواد موجب می شود تا امکان جذب بالای نور در لایه های نازک از این مواد (کمتر از 100 نانومتر) وجود داشته باشد به گونه ای که Mobility کم آن ها را جبران می کند. جابجایی الکترونیکی ضعیف نیمه هادی های ارگانیک دو ویژگی برای این مواد ایجاد می کند. وجود حالت های اسپینی تک و سه گانه که در مواد نارسانا دیده می شود و شکل گیری exciton ها که ترکیب وابسته به نور یک جفت الکترون و حفره هستند. Exciton ها، از برخورد نور با یک مولکول فتوولتاییک به وجود می آیند. فوتون فرود آمده موجب تحریک الکترون باند ظرفیت و شکل گیری یک زوج الکترون حفره می شود. انرژی فوتون ورودی باید برابر یا بیشتر از شکاف باند انرژی ماده مورد برخورد باشد. برای جدا کردن این زوج الکترون-حفره به منظور جداسازی بارهای مثبت و منفی الکتریکی برای ایجاد جریان الکتریکی، در سلول های فتوولتاییک غیر ارگانیک به انرژی حدود 0.5 تا 1 الکترون ولت نیاز است که باید توسط یک میدان الکتریکی خارجی تامین شود حال آنکه این انرژی در سلول های فتوولتاییک ارگانیک حدود چند میلی الکترون ولت است که به سادگی در دمای اتاق به دست می آید.شکل گیری و جداسازی exciton ها، فرایند اصلی در سلول های خورشیدی ارگانیک است و به همین علت به آنها سلول های خورشیدی اگزیتونی (Excitonic solar cells) نیز می گویند.لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی یک روش کم هزینه و متداول است که برای لایه نشانی مواد ارگانیک استفاده می شود. روش تبخیر حرارتی به عنوان یک روش کارآمد و کم هزینه در ساخت OLED ها در مقیاس زیاد و همچنین ساخت سلول های خورشیدی ارگانیک استفاده می شود.از مزایای روش تبخیر حرارتی می توان به لایه نشانی ساختارهای پیچیده در یک مرحله لایه نشانی اشاره کرد. فرایند لایه نشانی نیمه هادی های ارگانیک به روش تبخیر حرارتی دارای نقاط مشترک زیادی با فرایند لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی مواد غیر ارگانیک است با این تفاوت که نیاز به کنترل دقیق تری دارد. اتصالات بین اتمی در مواد ارگانیک ضعیف تر از مواد غیر ارگانیک است. بنابراین اعمال انرژی حرارتی پیوندهای بیشتری را در مواد ارگانیک می شکند. دمای تبخیر مواد ارگانیک غالبا کمتر از 500 درجه سانتی گراد است. فرایند لایه نشانی مواد ارگانیک به روش تبخیر حرارتی به منظور جلوگیری از تجزیه ماده ارگانیک، نیازمند کنترل دقیق دمای فرایند است. با توجه به اشکال مختلف مولکول ها، کنترل مورفولوژی لایه نازک ایجاد شده از مواد ارگانیک بسیار پیچیده تر از کنترل مواد غیر ارگانیک است. نوع زیرلایه، دمای زیرلایه و نرخ لایه نشانی در فرایند تبخیر حرارتی مواد ارگانیک باید به دقت کنترل شود.بسیاری از مواد ارگانیک در حضور اکسیژن یا آب دچار تخریب می شوند. در نتیجه محیط لایه نشانی این مواد باید کاملا عاری از آب و اکسیژن باشد. فشار محفظه مناسب برای تبخیر حرارتی مواد ارگانیک نباید بیشتر از 6-10×5 میلی بار باشد.فشار بخار به صورت نمایی به دما و نرخ افزایش دما وابسته است. شکل 2 رفتار تبخیری ماده Alq3 را که در ساخت OLED ها به کار می رود، نشان می دهد.علاوه بر رفتار تبخیری مواد مورد استفاده، شار پراکندگی بخار (distribution vapor flux) و ضخامت لایه ها نیز مهم هستند. ایجاد لایه های همگن و یک جهت تنها در صورتی امکان پذیر است که مشخصات ذکر شده کاملا شناخته شده باشند.شکل منبع تبخیر(مثلا بوته یا بسکت ) نیز در تبخیر مناسب مواد ارگانیک و تعیین شار پراکندگی بخار مهم است. معمولا این منابع به گونه ای نیست که یک لایه نازک از مواد تبخیر شونده را درون خود جای دهند و به صورت بوته های عمیق هستند. دیوارهای بوته باید به گونه ای باشد که از بازتاب حرارت جلوگیری کند تا دمای داخل بوته یکنواخت تر باشد. جنس بوته باید از مواد با هدایت گرمایی بالا باشد تا یکنواختی دمای داخل بوته حفظ شود و از تجزیه مواد ارگانیک به علت گرادیان دمایی داخل بوته جلوگیری شود. مواد استفاده شده برای ساخت این بوته ها معمولا اکسید آلومینیوم یا نیترید بور است.به کار بردن حسگرهای حرارتی برای کنترل دقیق دمای منبع تبخیر(بوته) و زیرلایه در لایه نشانی در خلاء مواد ارگانیک امری ضروری است. اگرچه کنترل دمایی مستقیم در فرایند لایه نشانی مواد غیر ارگانیک به روش تبخیر حرارتی نیاز نیست، این امر از ملزومات لایه نشانی مواد ارگانیک می باشد.فرایند لایه نشانی مواد ارگانیک به روش تبخیر حرارتی به این صورت است که در ابتدا و پس از رسیدن به فشار مناسب، دمای مواد تبخیر شونده از دمای محیط به دمای آماده به کار(Stand by temperature) که کمتر از دمای آستانه تبخیر است، رسانده می شود. این افزایش دما باید تا حد امکان در نرخ پایینی انجام شود. افزایش دما با شیب تند موجب ایجاد عدم یکنواختی دمایی در داخل بوته می شود که امکان دارد موجب تجزیه ماده ارگانیک شود.بعد از گذشت مدت زمانی اندک که بوته در دمای آماده به کار نگه داشته می شود، دما با نرخ متوسطی به دمای تبخیر افزایش داده می شود. و بلافاصله پس از اتمام فرایند تبخیر حرارتی، مجددا دما به دمای آماده به کار باز می گردد.